Nghiên cứu thuật toán và xây dựng chương trình xử lý số liệu GNSS dạng RINEX nhằm phát triển ứng dụng công nghệ định vị vệ tinh ở việt nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN GIA TRỌNG NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN VÀ XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH XỬ LÝ SỐ LIỆU GNSS DẠNG RINEX NHẰM PHÁT TRIỂN ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ ĐỊ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

NGUYỄN GIA TRỌNG

NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN VÀ XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH

XỬ LÝ SỐ LIỆU GNSS DẠNG RINEX NHẰM PHÁT TRIỂN ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ ĐỊNH VỊ VỆ TINH Ở VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2019

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

NGUYỄN GIA TRỌNG

NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN VÀ XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH

XỬ LÝ SỐ LIỆU GNSS DẠNG RINEX NHẰM PHÁT TRIỂN ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ ĐỊNH VỊ VỆ TINH Ở VIỆT NAM

Mã số : 9520503

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS ĐẶNG NAM CHINH

HÀ NỘI - 2019

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi Các kết quả nghiên cứu trong luận án có được trên cơ sở tìm hiểu tài liệu, phân tích một cách trung thực, khách quan và áp dụng trong điều kiện thực tiễn của Việt Nam Các kết quả này chưa từng được công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Gia Trọng

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC CÁC HÌNH v

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC CÁC BẢNG xii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THUẬT TOÁN VÀ PHẦN MỀM XỬ LÝ SỐ LIỆU GNSS 7

1.1 Các kết quả nghiên cứu ở nước ngoài 7

1.1.1 Các kết quả nghiên cứu về thuật toán 7

1.1.2 Các kết quả nghiên cứu xây dựng phần mềm 10

1.2 Các kết quả nghiên cứu ở Việt Nam 23

1.2.1 Các kết quả nghiên cứu về thuật toán xử lý số liệu GNSS 23

1.2.2 Các kết quả nghiên cứu xây dựng phần mềm 25

1.3 Phạm vi nghiên cứu của luận án 29

CHƯƠNG 2 TRỊ ĐO GNSS VÀ VẤN ĐỀ HIỆU CHỈNH ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC NGUỒN SAI SỐ ĐỐI VỚI TRỊ ĐO 30

2.1 Trị đo GNSS 30

2.1.1 Trị đo khoảng cách giả 30

2.1.2 Trị đo pha sóng tải 32

2.1.3 Trị đo doppler 34

2.2 Các nguồn sai số trong trị đo GNSS và biện pháp khắc phục 35

2.2.1 Các nguồn sai số liên quan đến vệ tinh 35

2.2.2 Các nguồn sai số liên quan đến máy thu 38

2.2.3 Các nguồn sai số liên quan đến môi trường truyền tín hiệu 39

2.3 Dữ liệu đo chuyển về định dạng RINEX 44

2.3.1 Thông tin trong tệp thông tin trị đo 45

2.3.2 Thông tin trong tệp thông tin đạo hàng 46

CHƯƠNG 3 THUẬT TOÁN GIẢI BÀI TOÁN ĐỊNH VỊ TUYỆT ĐỐI VÀ

ĐỊNH VỊ TƯƠNG ĐỐI 51

3.1 Bài toán định vị tuyệt đối 51

3.1.1 Bài toán định vị tuyệt đối thông thường (tiêu chuẩn) 51

3.1.2 Tính số hiệu chỉnh khoảng cách theo thời gian 58

3.1.3 Tính trọng số 61

3.1.4 Phép lọc Kalman và ứng dụng của phép lọc Kalman trong giải bài toán SPP 63 3.1.3 Bài toán định vị tuyệt đối chính xác 66

3.2 Bài toán định vị tương đối 72

3.2.1 Hiệu của các trị đo 72

3.2.2 Thuật toán định vị tương đối tĩnh 75

3.2.3 Vấn đề ước lượng phương sai 81

3.2.4 Quy chuyển cạnh từ các tâm ăng ten về các tâm mốc trắc địa 83

3.2.5 Thuật toán định vị tương đối động 89

3.3 Giải số nguyên đa trị 92

3.3.1 Quy trình chung khi giải số nguyên đa trị 92

3.3.2 Vấn đề làm giảm tương quan giữa các hiệu số nguyên đa trị 93

3.3.3 Các phương pháp tìm kiếm số nguyên đa trị 94

CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH XỬ LÝ SỐ LIỆU GNSS VÀ TÍNH TOÁN THỰC NGHIỆM 98

4.1 Giới thiệu về ngôn ngữ lập trình 98

4.2 Thiết kế phần mềm 99

4.2.1 Nguyên tắc chung khi thiết kế phần mềm 99

4.2.2 Giới thiệu về chương trình đã được xây dựng 100

4.3 Giới thiệu về số liệu thực nghiệm và các phương án tính thực nghiệm 107

4.3.1 Giới thiệu về số liệu thực nghiệm định vị tuyệt đối 107

4.3.2 Các phương án tính toán thực nghiệm định vị tuyệt đối 108

4.3.3 Giới thiệu về số liệu thực nghiệm định vị tương đối 110

4.4 Kết quả tính toán thực nghiệm định vị tuyệt đối 111

4.4.1 Kết quả tính theo phương án 1 111

4.4.2 Kết quả tính theo phương án 2 113

4.4.3 Kết quả tính theo phương án 3 117

4.4.4 Kết quả tính theo phương án 4 119

4.4.5 Kết quả tính theo phương án 5 122

4.4.6 Kết quả tính theo phương án 6 126

4.5 Kết quả tính thực nghiệm định vị tương đối 129

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 133

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 135

TÀI LIỆU THAM KHẢO 139

Phụ lục A: Kết quả xử lý số liệu điểm Đan Phượng bằng phần mềm Bernese 5.0 149

Phụ lục B: Kết quả định vị tuyệt đối các điểm thực nghiệm theo các phương án khác nhau 150

Phụ lục C: Kết quả định vị tuyệt đối điểm DANP trong trường hợp có và không xét đến hiện tượng nhảy đồng hồ máy thu 165

Phụ lục D: Tọa độ tuyệt đối của các điểm xác định được khi sử dụng kết hợp trị đo pha sóng tải và trị đo khoảng cách giả theo mã 167

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Giao diện chính của phần mềm Trimble Business Center 10

Hình 1.2 Giao diện chính của phần mềm Trimble Total Control 11

Hình 1.3 Giao diện chính của chương trình Hi-Target Geomatics Office 11

Hình 1.4 Giao diện khi nhập số liệu xử lý bằng OPUS 22

Hình 2.1 Đồ thị minh họa hiện tượng nhảy đồng hồ máy thu GB-1000 32

Hình 2.2 Quy trình chuyển từ dữ liệu thô sang định dạng dữ liệu RINEX 44

Hình 3.1 Các yếu tố trên mặt cầu phụ trợ 59

Hình 3.2 Mối quan hệ giữa các yếu tố trong đo cao ăng ten máy thu 83

Hình 3.3 Chiều cao ăng ten máy thu tại hai điểm M1 và M2 87

Hình 4.2 Giao diện của chức năng nhập dữ liệu 102

Hình 4.3 Cửa sổ nhập dữ liệu 102

Hình 4.4 Lựa chọn phương pháp định vị tuyệt đối 103

Hình 4.5 Giao diện cài đặt thông tin cho giải bài toán SPP 104

Hình 4.6 Giao diện cài đặt thông tin cho bài toán PPP 104

Hình 4.7 Nhập các hệ số alpha, beta cho mô hình Klobuchar 106

Hình 4.8 Nhập các tham số trong xử lý cạnh 106

Hình 4.9a Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm DANP tính theo phương án 1 112

Hình 4.9b Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm KUNM tính theo phương án 1 112

Hình 4.9c Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm PIMO tính theo phương án 1 113

Hình 4.10a Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm DANP tính theo phương án 2 114

Hình 4.10b Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm KUNM tính theo phương án 2 114

Hình 4.10c Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm PIMO tính theo phương án 2 115

Hình 4.11a Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm DANP tính theo phương án 2_1 115 Hình 4.11b Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm KUNM tính theo phương án 2_1 116 Hình 4.11c Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm PIMO tính theo phương án 2_1 116

Hình 4.12a Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm DANP tính theo phương án 3 117

Hình 4.12b Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm KUNM tính theo phương án 3 118

Hình 4.12c Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm PIMO tính theo phương án 3 118 Hình 4.13a Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm DANP tính theo phương án 4 119 Hình 4.13b Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm KUNM tính theo phương án 4 119 Hình 4.13c Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm PIMO tính theo phương án 4 120 Hình 4.14a Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm DANP tính theo phương án 4_1 120 Hình 4.14b Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm KUNM tính theo phương án 4_1 121 Hình 4.14b Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm PIMO tính theo phương án 4_1 121 Hình 4.15a Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm DANP tính theo phương án 5 122 Hình 4.15b Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm KUNM tính theo phương án 5 123 Hình 4.15c Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm PIMO tính theo phương án 5 123 Hình 4.16a Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm DANP tính theo phương án 5_1 124 Hình 4.16b Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm KUNM tính theo phương án 5_1 125 Hình 4.16c Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm PIMO tính theo phương án 5_1 125 Hình 4.17a Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm DANP tính theo phương án 6 127 Hình 4.17b Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm KUNM tính theo phương án 6 128 Hình 4.17c Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm PIMO tính theo phương án 6 128

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ADOP Ambiguity Dilution Of

Precesion

Độ suy giảm độ chính xác số nguyên lần bước sóng

ANTEX the ANTenna EXchange format Định dạng chuyển đổi ăng ten ASCII American Standard Code for

Vệ tinh CHAMP (của châu Âu)

CODE Center for Orbit Determination

DCB Difference Code-Bias Hiệu độ lệch giữa các trị đo

khoảng cách giả theo mã DGPS Differential Global Positioning

GIS Geographic Information

System

Hệ thống thông tin địa lý

GLONASS GLObal NAvigation Satellite

Vệ tinh GRACE của Châu Âu

IB Integer Boot-strapping Phương pháp làm tròn số nguyên

đa trị có điều kiện IERS International Earth Rotation

and Reference Systems Service

Tổ chức dịch vụ quốc tế về chuyển động quay trái đất và hệ quy chiếu

IGS International GNSS Service Tổ chức dịch vụ GNSS quốc tế ILS Integer Least-Squares Phương pháp bình phương số

nguyên nhỏ nhất INS Inertial Navigation System Hệ thống dẫn đường quán tính IONEX IONosphere Map EXchange

format

Định dạng bản đồ tầng điện ly

IR Integer Rounding Phương pháp làm tròn cho số

nguyên đa trị IRNSS Indian Regional Navigation

Satellite System

Hệ thống vệ tinh dẫn đường khu vực của Ấn Độ

JPL Jet Propulsion Laboratory Phòng nghiên cứu phản lực của

NASA LAMBDA Least-squares AMBiguity

Decorrelation Adjustment

Phương pháp tìm kiếm số nguyên

đa trị LAMBDA LS-VCE Least-Squares Variance Co-

variance Estimation

Ước lượng các thành phần của ma trận hiệp phương sai theo nguyên

lý số bình phương nhỏ nhất MINQUE MInimum Norm Quadratic

NTRIP Network Transport of RTCM

via Internet Protocol

Mạng lưới vận chuyển của RTCM qua giao thức internet OPUS Online Positioning User

Service

Dịch vụ xử lý số liệu trực tuyến của Mỹ

PCF Process Control File Tệp điều khiển quy trình

PCO Phase Center Offset Độ lệch giữa tâm pha trung bình

với điểm tham chiếu đo cao ăng ten

PCV Phase Center Variation Biến thiên tâm pha ăng ten

PPK Post Processing Kinematic Phương pháp đo động xử lý sau PPP Precise Point Positioning Định vị tuyệt đối chính xác

PWV Precipitable Water Vapour Tổng lượng hơi nước tích tụ QIF Quasi Ionosphere Free strategy Giải pháp gần loại trừ ảnh hưởng

của tầng điện ly QZSS Quasi-Zenith Satellite System Hệ thống vệ tinh tựa thiên đỉnh

(Nhật Bản) RINEX Receiver INdependent

Exchange format

Định dạng dữ liệu độc lập với máy thu

RMS Root Mean Square error Sai số trung phương trọng số đơn

vị RTCA Radio Technical Commission

for Aeronautics

Ủy ban kỹ thuật vô tuyến vũ trụ

RTCM Radio Technical Commission

for Maritime Services

Ủy ban kỹ thuật vô tuyến cho dịch vụ hàng hải

RTK Real-Time Kinematic Phương pháp đo tương đối động

tức thời

SA Selective Availability Sử dụng có lựa chọn

SBAS Satellite-based Augmentation

Systems

Hệ thống tăng cường vệ tinh

SINEX Solution INdependent

TBC TEC Total Electron Content Tổng lượng điện tử theo phương

TTC Trimble Total Control Phần mềm xử lý số liệu GNSS -

TTC UAV Unmanned Aerial Vehicle Thiết bị bay không người lái VMF Vienna Mapping Function Hàm ánh xạ Vienna

VRS Virtual Reference Station Trạm tham chiếu ảo

VTEC Vertical Total Electron Content Tổng lượng điện tử theo phương

thiên đỉnh

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Thống kê các phương pháp giải số nguyên đa trị 9

Bảng 2.1 Độ chính xác xác định tọa độ vệ tinh theo thời gian 37

Bảng 2.2 Kí hiệu các thành phần thông tin quỹ đạo của một vệ tinh 47

Bảng 2.3 Cấu trúc thông tin 4 dòng miêu tả quỹ đạo vệ tinh Glonass trong 1 thời điểm 49

Bảng 3.1 Trọng số tiên nghiệm khi giải bài toán định vị tuyệt đối 66

Bảng 4.1 Thông tin về số liệu thực nghiệm định vị tuyệt đối 107

Bảng 4.2 Tọa độ các điểm xác định được trong ITRF 108

Bảng 4.3 Giá trị phương sai tiên nghiệm của các ẩn số khi giải bài toán sử dụng phép lọc Kalman 110

Bảng 4.4 Thông tin về các cạnh đo 110

Bảng 4.5 Phần trăm giá trị độ lệch vị trí của các điểm theo phương án 1 111

Bảng 4.6 Phần trăm giá trị độ lệch vị trí của các điểm theo phương án 2 113

Bảng 4.7 Phần trăm giá trị độ lệch vị trí của các điểm theo phương án 3 117

Bảng 4.8 Phần trăm giá trị độ lệch vị trí của các điểm theo phương án 4 119

Bảng 4.9 Phần trăm giá trị độ lệch vị trí của các điểm theo phương án 5 122

Bảng 4.10 Phần trăm giá trị độ lệch vị trí của các điểm theo phương án 6 127

Bảng 4.11 Kết quả tính cạnh giữa các tâm pha ăng ten 129

Bảng 4.12 Kết quả tính số hiệu chỉnh do độ cao ăng ten 129

Bảng 4.13 Kết quả tính cạnh giữa các tâm mốc 129

Bảng 4.14 Kết quả giải cạnh bằng phần mềm TBC 130

Bảng 4.15 Kết quả giải cạnh bằng phần mềm HGO 130

Bảng 4.16 So sánh kết quả giải cạnh giữa phần mềm tự lập với kết quả tính bằng phần mềm HGO lời giải dạng triple 130

Bảng 4.17 So sánh kết quả giải cạnh bằng phần mềm tự lập với kết quả tính bằng phần mềm HGO lời giải dạng fixed 131 Bảng 4.18 So sánh kết quả giải cạnh bằng phần mềm tự lập với phần mềm TBC 131

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trên thế giới, vấn đề nghiên cứu về công nghệ định vị vệ tinh nói chung; nghiên cứu về thuật toán và xây dựng chương trình xử lý số liệu GNSS nói riêng đã

và đang diễn ra sâu, rộng để tạo dựng thành chu trình khép kín từ phần cứng tới phần mềm cho các ứng dụng của công nghệ GNSS Trong định vị vệ tinh có hai bài toán cơ bản là định vị tuyệt đối và định vị tương đối Theo mức độ chính xác, định

vị tuyệt đối chia làm hai bài toán là bài toán SPP và bài toán PPP Trong định vị tương đối, tùy thuộc trạng thái của máy thu và thời gian xử lý chia thành các phương pháp định vị tương đối tĩnh, tương đối động xử lý sau và tương đối động tức thời Việc sử dụng trị đo pha sóng tải để giải các bài toán định vị giúp nâng cao

độ chính xác giải bài toán nhưng đồng thời cũng phát sinh bài toán giải (xác định)

số nguyên đa trị (số nguyên lần bước sóng) trong trị đo pha sóng tải Sự phát triển của công nghệ chế tạo máy thu GNSS và mạng thông tin internet cho ra đời mạng lưới các trạm thu tín hiệu liên tục và phương thức xử lý dữ liệu trực tuyến Bên cạnh

sự phát triển các bài toán và phương pháp định vị, vấn đề nghiên cứu ứng dụng tín hiệu GNSS trong nghiên cứu địa động, nghiên cứu khí quyển cũng diễn ra rất mạnh

mẽ Trong sự phát triển đó, không thể không nhắc đến vai trò của các trường đại học với các nghiên cứu về thuật toán cũng như xây dựng phần mềm mà trong đó phải nhắc tới là Viện thiên văn thuộc Đại học Bern (Thụy Sỹ), đó là một điển hình

Đã có các công bố về nghiên cứu xây dựng phần mềm như PGS.TSKH Hà Minh Hòa, PGS.TS Nguyễn Ngọc Lâu công bố gói phần mềm GUST dùng để xử lý cạnh

dài; TS Nguyễn Thị Thanh Hương và nhiều người khác đã công bố kết quả xây dựng phần mềm GNSS-PRO xử lý dữ liệu cạnh ngắn kết hợp tín hiệu GPS/GLONASS; Trung tâm NAVIS (Đại học Bách khoa Hà Nội) đã xây dựng giải pháp định vị (cả phần cứng và phần mềm) độ chính xác cao dựa trên các trạm tham chiếu Tuy nhiên, cho đến thời điểm hiện tại việc ứng dụng công nghệ GNSS ở Việt Nam vẫn thuần túy dựa trên máy và phần mềm của nước ngoài Với các ứng dụng GNSS rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, nhu cầu xây dựng phần mềm GNSS nhằm chủ động trong ứng dụng công nghệ này tại Việt Nam là nhu cầu cần thiết Cùng với việc công bố kết quả xây dựng phần mềm, các tác giả đã công bố thuật toán xử

lý số liệu GNSS tuy nhiên đa số các công bố mới chỉ ở dạng rời rạc, không thành quy trình tính cụ thể và chưa đầy đủ (thiếu các thuật toán về PPP, RTK ….)

Tháng 9 năm 2011, khi mà đa số các đơn vị sản xuất trong lĩnh vực trắc địa - bản đồ tại Việt Nam đang quen với việc sử dụng phần mềm GPSurvey 2.35, TGO thì hai phần mềm này hết thời gian sử dụng Việc đột ngột dừng không hỗ trợ cho các phần mềm GPSurvey 2.35, TGO đã khiến nhiều đơn vị sản xuất chậm bàn giao thành quả do đo xong mà không xử lý được số liệu Đây là một minh chứng rõ nét

về việc cần chủ động trong khai thác, sử dụng công nghệ tại Việt Nam Việc mua phần mềm của nước ngoài rất tốn kém về kinh tế (1 phiên bản phần mềm thông dụng có giá vài nghìn đô la Mỹ, 1 phiên bản phần mềm chuyên dụng như Bernese giá hơn 20 nghìn đô la Mỹ) Người Việt Nam vốn có năng khiếu về công nghệ thông tin nói chung và lập trình nói chung nhưng sau hơn 30 năm ứng dụng công nghệ GNSS tại Việt Nam vẫn dùng phần mềm của nước ngoài

Khoa Trắc địa - Bản đồ và Quản lý đất đai, trường Đại học Mỏ - Địa chất là

cơ sở đào tạo lớn về trắc địa - bản đồ của cả nước nhưng cho đến thời điểm hiện tại vẫn chỉ đơn thuần sử dụng phần mềm của nước ngoài trong giảng dạy định vị vệ tinh cho các bậc học Để có thể nâng cao chất lượng đào tạo đáp ứng yêu cầu của xã hội nhất thiết phải xây dựng nhóm nghiên cứu mạnh về xử lý số liệu GNSS nói chung và xây dựng phần mềm xử lý số liệu GNSS nói riêng

Để có thể xây dựng phần mềm xử lý số liệu nhằm chủ động trong ứng dụng công nghệ GNSS ở Việt Nam nhất thiết cần phải tiếp tục nghiên cứu về thuật toán

xử lý số liệu GNSS Đối với các đơn vị không sản xuất máy thu, nghiên cứu xử lý

số liệu GNSS từ định dạng RINEX là hướng đi hợp lý giống như cách làm của các trường đại học trên thế giới (ví dụ như Đại học Bern - Thụy Sỹ)

Xuất phát từ các yêu cầu nêu trên, việc lựa chọn đề tài “Nghiên cứu thuật

toán và xây dựng chương trình xử lý số liệu GNSS dạng RINEX nhằm phát triển ứng dụng công nghệ định vị vệ tinh ở Việt Nam” mang ý nghĩa khoa học và

thực tiễn cao

2 Mục đích nghiên cứu của luận án

- Làm rõ các thuật toán giải bài toán định vị tuyệt đối và định vị tương đối

- Xây dựng chương trình xử lý số liệu định vị vệ tinh từ định dạng RINEX

3 Đối tượng nghiên cứu

- Định dạng dữ liệu RINEX

- Phương pháp hiệu chỉnh ảnh hưởng của các nguồn sai số đối với trị đo GNSS

- Thuật toán giải các bài toán định vị vệ tinh

- Phương pháp xây dựng chương trình xử lý số liệu GNSS

4 Phạm vi nghiên cứu

- Thuật toán giải các bài toán định vị vệ tinh từ dữ liệu RINEX

- Mặc dù tên luận án có đề cập đến xử lý dữ liệu GNSS nhưng luận án này chủ yếu tập trung nghiên cứu các thuật toán xử lý dữ liệu GPS một tần số Bài toán

xử lý số liệu GNSS sử dụng trị đo một tần số là bài toán cơ bản, việc nắm rõ và tường minh quy trình tính bài toán này sẽ tạo điều kiện phát triển giải các bài toán nhiều tần số

5 Nội dung nghiên cứu

- Các trị đo trong công nghệ GNSS và định dạng dữ liệu

- Ảnh hưởng của các nguồn sai số đối với trị đo GNSS và biện pháp khắc phục

- Phương pháp xác định tọa độ vệ tinh từ lịch vệ tinh quảng bá và lịch vệ tinh chính xác

- Thuật toán tìm kiếm số nguyên đa trị

- Ứng dụng phép lọc Kalman trong xử lý số liệu định vị vệ tinh

- Quy trình giải bài toán định vị tuyệt đối và định vị tương đối xử lý sau

6 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp thu thập tài liệu: Thu thập tài liệu, số liệu liên quan đến nội dung của luận án

- Phương pháp phân tích: Phân tích những gì các tác giả khác đã làm được, những gì cần tiếp tục thực hiện, ưu nhược điểm của các phương pháp xử lý số liệu định vị vệ tinh …

- Phương pháp tổng hợp: Dựa trên các tài liệu thu thập được tiến hành tổng hợp kiến thức để tìm được các nội dung kiến thức phù hợp nhất cho luận án

- Phương pháp mô hình hóa: Nghiên cứu xây dựng một số thuật toán trong

xử lý số liệu định vị vệ tinh

- Phương pháp thực nghiệm: Dựa trên các thuật toán đã lựa chọn, xây dựng chương trình tính thực nghiệm của luận án

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

- Đã xác lập cơ sở khoa học và phương pháp luận xây dựng thuật toán xử lý

dữ liệu GNSS dạng RINEX phục vụ lập trình giải các bài toán định vị vệ tinh

- Kết quả nghiên cứu của luận án có thể được ứng dụng để xử lý dữ liệu GNSS dạng RINEX trong các nội dung định vị trên lãnh thổ Việt Nam

8 Các luận điểm bảo vệ và các luận điểm mới của luận án

a Các luận điểm bảo vệ

Luận điểm 1: Xử lý số liệu GNSS được thực hiện trong hệ 4D (không gian

- thời gian) với các trị đo và sai số liên tục biến đổi, vì thế vấn đề đồng bộ thời gian

và tính toán các số cải chính thay đổi theo thời gian mang tính quyết định tới chất lượng của lời giải các bài toán định vị Phương pháp đồng bộ hóa thời gian bằng cách tính số cải chính thay đổi khoảng cách theo thời gian đảm bảo yêu cầu về đồng

bộ hóa thời gian trong xử lý số liệu GNSS

Luận điểm 2: Phương pháp tính trọng số bằng cách ước lượng phương sai

theo tiêu chuẩn của Ủy ban vô tuyến vũ trụ (RTCA) cho hiệu quả cao hơn phương pháp tính trọng số theo hàm của góc cao vệ tinh

Luận điểm 3: Chương trình xử lý số liệu GNSS đã được xây dựng cho

phép xử lý sau bài toán định vị tuyệt đối có độ chính xác tương đương định vị vi phân (DGPS) phục vụ định vị trên biển

b Các điểm mới của luận án

- Đề xuất công thức đồng bộ thời gian do đạo hàm bậc nhất của khoảng cách theo thời gian

- Đề xuất công thức tính chuyển chiều dài cạnh từ các tâm ăng ten về các tâm mốc trắc địa

- Ứng dụng thành công phương pháp ước lượng phương sai của các nguồn sai số đối với trị đo theo tiêu chuẩn của RTCA và phép lọc Kalman trong xử lý số liệu GNSS

- Đề xuất ứng dụng thuật toán giải bài toán định vị tuyệt đối trong trường hợp nhảy đồng hồ máy thu

9 Kết cấu của luận án

Gồm 3 phần chính:

(1) Phần mở đầu: Giới thiệu về tính cấp thiết của luận án, mục đích nghiên cứu của luận án, phương pháp nghiên cứu, nội dung nghiên cứu, những luận điểm bảo vệ và những điểm mới của luận án

(2) Phần nội dung gồm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về thuật toán và phần mềm xử lý số liệu GNSS

Chương 2: Trị đo GNSS và vấn đề hiệu chỉnh ảnh hưởng của các nguồn sai

số đối với trị đo

Chương 3: Thuật toán giải bài toán định vị tuyệt đối và định vị tương đối Chương 4: Xây dựng chương trình xử lý số liệu GNSS và tính toán thực nghiệm (3) Phần kết luận và kiến nghị

10 Cơ sở tài liệu

- Số liệu sử dụng trong tính toán thực nghiệm là các số liệu đo tại Việt Nam

và trên thế giới đã được chuyển đổi về định dạng RINEX, các dữ liệu phụ trợ được lấy về từ internet

- Nghiên cứu sinh đã tham khảo tài liệu từ các đề tài mà mình trực tiếp tham gia và các báo cáo tổng kết đề tài, nhiều bài báo, công trình trong và ngoài nước liên quan đến nghiên cứu thuật toán và xây dựng chương trình xử lý số liệu GNSS

11 Lời cảm ơn

Tôi xin trân trọng cảm ơn thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Đặng Nam Chinh, các thầy cô giáo trong Bộ môn Trắc địa cao cấp, Khoa Trắc địa - Bản đồ và Quản lý đất đai, Trường Đại học Mỏ - Địa chất đã tận tình giúp đỡ, góp ý và tạo những điều kiện tốt nhất để nghiên cứu sinh có thể hoàn thành nhiệm vụ của mình

Trân trọng cảm ơn Ban chủ nhiệm Khoa, các thầy cô giáo trong Khoa, các nhà khoa học trong và ngoài trường đã quan tâm, đóng góp ý kiến để nghiên cứu sinh hoàn thiện tốt hơn bản luận án của mình

Đặc biệt gửi lời cảm ơn tới tất cả các thành viên trong gia đình đã dành những điều kiện tốt nhất về tinh thần và vật chất để tôi có thể hoàn thành tốt nhất khóa học của mình

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THUẬT TOÁN VÀ PHẦN MỀM

XỬ LÝ SỐ LIỆU GNSS 1.1 Các kết quả nghiên cứu ở nước ngoài

1.1.1 Các kết quả nghiên cứu về thuật toán

Công nghệ GPS nói riêng và công nghệ GNSS nói chung đang được ứng dụng trong mọi lĩnh vực của đời sống xã hội Để có các kết quả như vậy, đã có rất nhiều các nghiên cứu sâu, rộng về chế tạo vệ tinh, chế tạo máy thu, thuật toán giải các bài toán cũng như xây dựng các phần mềm xử lý số liệu GNSS Từ các kết quả nghiên cứu đó, ứng dụng của GNSS hiện nay đã hình thành các quy trình khép kín

từ phần cứng đến phần mềm Cũng từ các nghiên cứu đó, rất nhiều các công trình nghiên cứu về thuật toán xử lý số liệu GNSS đã được công bố

Trước hết có thể kể đến các công bố về thuật toán được công bố trong các sách giáo khoa về GNSS như Hofmann-Wellenhof [59], Teunissen [61], Alfred Leick [63], Montenbruck [76] … Các công trình nêu trên tổng hợp kết quả nghiên cứu của rất nhiều các tác giả khác nhau nhằm cung cấp đến người đọc từ các kiến thức cơ bản nhất về công nghệ GNSS đến công thức giải các bài toán định vị Tuy nhiên, trong các tài liệu đó, hầu hết không đề cập tới thuật toán phục vụ cho lập trình máy tính và trình tự tính toán tường minh

Để có thể giải các bài toán định vị, các tác giả giới thiệu từ hệ thống các công thức tính tọa độ vệ tinh theo thời gian; các loại trị đo, ảnh hưởng của các nguồn sai số đối với trị đo cũng như biện pháp khắc phục; giới thiệu các bài toán định vị và phương pháp giải các bài toán định vị Phương pháp giải các bài toán định vị cơ bản được giới thiệu đó là bài toán định vị tuyệt đối và bài toán định vị tương đối Theo mức độ chính xác, bài toán định vị tuyệt đối được chia thành hai bài toán là bài toán định vị tuyệt đối thông thường và bài toán định vị tuyệt đối chính xác Bài toán định vị tuyệt đối thông thường hay còn gọi là bài toán dẫn đường sử dụng các yếu tố đầu vào là lịch vệ tinh quảng bá và trị đo khoảng cách giả theo mã Khác với bài toán SPP, bài toán PPP sử dụng lịch vệ tinh chính xác, sử

dụng đồng thời trị đo khoảng cách giả theo mã và trị đo pha sóng tải, các sản phẩm cung cấp bởi IGS và một số tổ chức khoa học khác, có tính đến số hiệu chỉnh do ảnh hưởng của thủy triều, địa triều và sự di chuyển của cực Trái Đất như đã trình bày bởi Martin.I [66], Ramalho Marreire.J.P [67] … Phép lọc Kalman được sử dụng trong giải bài toán định vị tuyệt đối, tùy thuộc vào phương pháp định vị tĩnh hay động mà các yếu tố như ma trận trạng thái, ma trận trọng số tiên nghiệm trong chu trình Kalman sẽ khác nhau

Định vị tương đối được chia thành định vị tương đối tĩnh và định vị tương đối động Do đặc điểm của bài toán tương đối tĩnh là có nhiều trị đo, xử lý sau cho nên phương pháp số bình phương nhỏ nhất thường được dùng để giải bài toán này Trong giải bài toán định vị tương đối tĩnh, một vấn đề rất quan trọng phải được thực hiện đó là ước lượng phương sai cho các trị đo Tùy thuộc vào phần mềm xử lý số liệu mà trị đo được sử dụng có thể chỉ là các trị đo pha sóng tải [89] hoặc sử dụng đồng thời trị đo pha sóng tải và trị đo khoảng cách giả theo mã [93], [94] Bài toán định vị tương đối động, do đặc thù có ít trị đo (chỉ có 1 tập hợp không nhiều trị đo nếu là phương pháp RTK), để giải được bài toán này cần phải sử dụng cả trị đo khoảng cách giả theo mã, trị đo pha sóng tải và giải nghiệm sử dụng phép lọc Kalman [96] Ngoài các bài toán định vị truyền thống, các bài toán khác cũng đã được trình bày như bài toán định vị với trạm CORS [47], xác định các yếu tố đặc trưng cho tầng khí quyển như PWV, TEC [76]; xử lý kết hợp số liệu GNSS/INS, kết hợp số liệu GNSS với đo cao vệ tinh [76] …

Bên cạnh các tài liệu cung cấp tổng hợp kiến thức về GNSS, có các tài liệu cung cấp kiến thức về một nội dung chuyên biệt như [78] chỉ bàn về vấn đề giải số nguyên đa trị Tác giả Verhagen.S trong [78] đã thống kê các phương pháp giải số nguyên đa trị như trong bảng 1.1

Bảng 1.1 Thống kê các phương pháp giải số nguyên đa trị Tên phương pháp Viết tắt Tác giả, năm công bố

Kỹ thuật giải số nguyên đa trị theo

phương pháp số bình phương nhỏ nhất

LSAST Hatch (1990)

Phương pháp giải nhanh số nguyên đa trị FARA Frei và Beutler (1990) Cải tiến phân tách Cholesky Euler và Landau (1992) Bình sai tương quan số nguyên đa trị

theo nguyên lý số bình phương nhỏ nhất

LAMBDA Teunissen (1993)

người khác (1995); Fernandez-Plazaola và những người khác (2004) Giải nhanh số nguyên đa trị sử dụng

phép lọc

FASF Chen và Lachapelle

(1995) Giải nhanh số nguyên đa trị sử dụng 3

loại sóng tải

TCAR Harris (1997)

khác (1998) Phương pháp tối ưu giải số nguyên đa trị OMEGA Kim và Langley (1999) Phương pháp giải số nguyên đa trị theo

Thuật toán giải các bài toán định vị tuy được công bố rộng rãi trên rất nhiều các công trình khác nhau nhưng thông tin chỉ mang tính tổng quát và không phải lúc nào cũng có thể làm theo được Thông thường, các thuật toán sau khi được nghiên cứu sẽ được chuyển giao để chuyển thành các sản phẩm thương mại hóa, có bản quyền

Tính cho đến thời điểm hiện tại, định vị tương đối đã cho độ chính xác rất cao nên ở nước ngoài các nghiên cứu về xử lý số liệu GNSS tập trung vào nâng cao

độ chính xác định vị PPP tức thời, định vị GNSS - indoor, GNSS-R và thuật toán xử

lý số liệu GNSS trên các thiết bị thông minh … [76]

1.1.2 Các kết quả nghiên cứu xây dựng phần mềm

Dựa trên các thuật toán đã được xây dựng, rất nhiều các phần mềm xử lý số liệu GNSS đã được xây dựng và được chia thành các nhóm như sau:

- Hãng Topcon (Nhật Bản): Pinacle, TOPSurvey, Topcon Tool

- Hãng Leica (Thụy Sỹ): Leica GNSS Spider

- GMC manufacture (Trung Quốc): Hi-Target …

Đặc trưng của nhóm phần mềm này là dùng để xử lý cạnh ngắn và trung bình với yêu cầu độ chính xác ở mức thông thường Sau đây là hình ảnh về giao diện của một số phần mềm thuộc nhóm phần mềm này

Hình 1.1 Giao diện chính của phần mềm Trimble Business Center

Hình 1.2 Giao diện chính của phần mềm Trimble Total Control

Hình 1.3 Giao diện chính của chương trình Hi-Target Geomatics Office Khi xử lý số liệu GNSS bằng nhóm phần mềm này đều có một quy trình chung như sau:

- Tạo dự án (project) mới

- Khai báo hệ tọa độ và chọn phép chiếu

- Lựa chọn mô hình geoid

- Nhập số liệu

- Xử lý cạnh

- Bình sai lưới

- Xuất báo cáo kết quả

Đa phần các phần mềm thuộc nhóm này cho phép bình sai độc lập hoặc bình sai hỗn hợp số liệu đo mặt đất với số liệu đo GNSS Một số phần mềm (ví dụ như phần mềm TBC) cung cấp thêm chức năng xử lý dữ liệu đo bằng thiết bị bay không người lái, kết nối với các phần mềm GIS [89] …

b Nhóm các phần mềm xử lý số liệu độ chính xác cao (chuyên dụng)

Bên cạnh nhóm phần mềm thông dụng do các hãng chế tạo máy thu xây dựng còn có các phần mềm do các trường đại học hoặc các trung tâm nghiên cứu khoa học xây dựng nên Các phần mềm điển hình thuộc nhóm này có thể kể đến như:

- Bernese: Được phát triển bởi Viện Thiên văn thuộc Đại học Bern (Thụy Sỹ) [93]

- Gamit/Globk: Được xây dựng bởi Khoa Khí quyển Trái Đất và Khoa học hành tinh, Viện công nghệ Massachusetts (MIT- Massachusetts Institute of Technology) [94]

- GIPSY-OASIS: Được phát triển bởi Phòng thí nghiệm tên lửa đẩy (JPL) [95] Trong số các phần mềm nêu trên, Bernese và Gamit/Globk chỉ nhận dữ liệu đầu vào ở định dạng RINEX

Để sử dụng các phần mềm khoa học đòi hỏi trình độ rất cao của người xử lý Ngoài chức năng tính toán tọa độ như thông thường, nhóm phần mềm này còn xác định được lượng dịch chuyển các thành phần tọa độ điểm theo thời gian (ứng dụng trong nghiên cứu địa động), ước lượng các tham số đặc trưng cho khí quyển Trái Đất như TEC, PWV và các ứng dụng khác Bên cạnh giá thành mua bản quyền sử dụng các phần mềm nêu trên rất cao thì việc sử dụng các phần mềm nêu trên vẫn là một hộp đen chỉ với đầu vào và đầu ra đối với người sử dụng

Trước khi xử lý số liệu bằng các phần mềm nhóm này, cần phải thực hiện các khâu chuẩn bị như sau:

- Chuẩn hóa dữ liệu RINEX: Đặc biệt lưu ý ở đây là chú ý về chuẩn hóa tên điểm, loại máy thu, loại ăng ten cũng như chiều cao ăng ten

- Tải các dữ liệu phụ trợ từ internet như:

+ Tệp thông tin về sự di chuyển của cực Trái Đất

+ Tệp thông tin về các hệ số sóng triều dùng để tính hiệu chỉnh ảnh hưởng của tải trọng đại dương (BLQ)

Phiên bản 3.0 được công bố vào tháng 3 năm 1988 trên cơ sở hoàn thiện các phiên bản trước đó Từ năm 1988 đến năm 1995, đã có 5 phiên bản tiếp theo được phát triển cụ thể như sau:

- Phiên bản 3.1 ra đời vào tháng 12 năm 1988

- Phiên bản 3.2 ra đời vào tháng 4 năm 1990

- Phiên bản 3.3 được công bố vào tháng 5 năm 1991

- Phiên bản 3.4 được công bố vào tháng 5 năm 1993

- Phiên bản 3.5 được công bố vào tháng 2 năm 1995

Phiên bản 4.0 được công bố vào tháng 9 năm 1996, trong phiên bản này được bổ sung chương trình ADDNEQ cho phép kết hợp các hệ phương trình chuẩn

Nhờ bổ sung chương trình ADDNEQ cho phép Bernese có thể xử lý kết hợp số liệu

đo trong nhiều thời điểm khác nhau mà không cần phải xử lý lại

Năm 1999, phiên bản 4.2 được công bố Phiên bản này cho phép xử lý chung

dữ liệu đo GPS/GLONASS và dữ liệu đo laser đến vệ tinh Bên cạnh đó, sử dụng tính năng của ngôn ngữ lập trình Fortran90 để kiểm tra chương trình ADDNEQ2 để thay thế cho chương trình ADDNEQ trong các phiên bản sau đó

Phiên bản 5.0 được công bố vào tháng 4 năm 2004 và bộ hướng dẫn sử dụng phần mềm này được công bố đầy đủ vào tháng 1 năm 2007 Phiên bản 5.0 có những tính năng vượt trội so với các phiên bản đã có trước đó:

- Lần đầu tiên phần mềm Bernese có giao diện đồ họa thân thiện với người

sử dụng dựa trên thư viện thống nhất cho các phiên bản chạy trên các hệ điều hành Unix/Linux và Window

- Hệ thống trợ giúp (hướng dẫn) được xây dựng trên nền văn bản mạng (html)

- Xử lý song song nhiều ca đo một cách dễ dàng

- Bộ xử lý tự động (Bernese Processing Enginee - BPE) được nâng cấp

- Không chỉ tính số hiệu chỉnh đồng hồ máy thu mà còn tính hiệu chỉnh cả số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh dựa trên thuật toán xử lý giá trị gốc (hiệu 0 - zero difference) Bên cạnh đó, đã hoàn thiện thuật toán xử lý bài toán định vị tuyệt đối chính xác Đây là ứng dụng có thể sử dụng trong đo tuyệt đối để định vị hệ quy chiếu

- Mô hình hiệu chỉnh tầng đối lưu được nâng cấp để cải thiện độ chính xác

- Sử dụng chương trình ADDNEQ2 thay thế cho chương trình ADDNEQ

Từ năm 2009, đã có nhiều nghiên cứu phát triển để xây dựng phiên bản 5.2

là phiên bản mới nhất đang được sử dụng hiện nay Phiên bản 5.2 có những cải tiến

so với phiên bản 5.0 đó là:

- Về năng lực xử lý:

+ Xây dựng chương trình tìm dữ liệu bên ngoài và không liên tục trong chuỗi các dữ liệu đo theo thời gian (chi tiết tham khảo luận án tiến sĩ của Ostini năm 2012)

+ Phát triển chương trình xác định lời giải số nguyên đa trị đo trị đo pha của các vệ tinh Glonass

+ Cân nhắc khả năng hiệu chỉnh 1/4 chu kỳ cho trị đo L2C khi giải số nguyên đa trị

+ Nâng cao khả năng cố định cho số nguyên đa trị tham khảo trong các hiệu

0, và hiệu đơn

+ Ước lượng sai số đồng hồ cho vệ tinh Glonass và định vị PPP

+ Thuật toán đặc biệt khi ước lượng các số hiệu chỉnh cho ăng ten máy thu GNSS + Cung cấp tính năng kiểm tra thông tin phần tiêu đề

+ Nhảy ngẫu nhiên có thể được ước lượng khi làm khớp quỹ đạo bằng chương trình ORBGEN

+ Gia tốc do ảnh hưởng của hiện tượng địa triều được tính cho quỹ đạo tích hợp trong chương trình ORBGEN

+ Xác định các tham số Helmert khi kết hợp lời giải trong chương trình ADDNEQ2

+ Nâng cao năng lực khi đọc dữ liệu SINEX

+ Xác định các tham số cho các vệ tinh quỹ đạo thấp

- Các mô hình và trị đo mới khi xử lý:

+ Hiệu chỉnh ảnh hưởng của tầng điện ly: Sử dụng các mô hình GMF/GPT và VMF1 cho các trị đo GNSS; mô hình Mendes-Pavlis cho các trị đo laser đến vệ tinh

+ Hiệu chỉnh ảnh hưởng của tầng điện ly: Sử dụng số bậc cao hơn để hiệu chỉnh (sử dụng bậc 2 và bậc 3)

+ Mô hình biến dạng địa vật lý được giới thiệu (để định dạng) ở dạng mắt lưới và được xác thực bằng cách ước lượng các yếu tố tỷ lệ

+ Tính số hiệu chỉnh trọng tâm khi tính hiệu chỉnh ảnh hưởng của tải trọng đại dương và tầng khí quyển

+ Tuân thủ quy ước IERS 2010 mới nhất

- Về cải tiến kỹ thuật:

+ Sử dụng Makefile để biên dịch các mã nguồn viết bằng ngôn ngữ Fortran

+ Sử dụng phân bố động cho các biến quan trọng nhất khi chạy chương trình GPSEST + Cung cấp lựa chọn không lời giải trong chương trình GPSEST và ADDNEQ2 và chỉ tạo ra tệp kết quả phương trình chuẩn

+ Thống kê việc sử dụng CPU cho từng chương trình chạy và cho chương trình BPE

- Những cải tiến liên quan đến chương trình BPE:

+ Nâng cấp lên Qt4

+ Chức năng xử lý lại: Tự động tạo ra “dự án” mới (campain) cho mỗi thời đoạn đo trong trường hợp đo nhiều thời đoạn BPE

+ Tạm ngưng linh hoạt các tệp điều khiển quy trình (PCF) để tối ưu hóa việc

sử dụng tài nguyên của máy tính

Phần mềm Bernese được sử dụng bởi rất nhiều các tổ chức khoa học

uy tín, các trường đại học, viện nghiên cứu tại nhiều quốc gia trên thế giới Bernese rất phù hợp cho các mục đích sử dụng như:

- Xử lý nhanh lưới kích thước nhỏ sử dụng máy thu một tần số hoặc hai tần số

- Xử lý tự động toàn bộ mạng lưới

- Cho phép xử lý lưới gồm rất nhiều điểm

- Giải số nguyên đa trị trên khoảng cách tới 2000 km hoặc dài hơn với thuật toán giải số nguyên đa trị không bị ảnh hưởng của tầng điện ly QIF hoàn toàn dựa trên dữ liệu đo pha sóng tải

- Theo dõi biến động của tầng điện ly và tầng đối lưu

- Xác định quỹ đạo chính xác của vệ tinh và các tham số định hướng của Trái Đất

- Tính số cải chính đồng hồ máy thu và đồng hồ vệ tinh

- Xây dựng lưới trên phạm vi lớn dùng tích hợp nhiều loại dữ liệu khác nhau

- Nghiên cứu địa động học

b.2 Phần mềm Gamit/Globk

Phần mềm này bao gồm ba mô đun là Gamit, Globk và Fonda được xây dựng để phân tích các trị đo GNSS với mục tiêu chính để phục vụ nghiên cứu sự biến dạng của vỏ Trái Đất [94] Bộ phần mềm này được phát triển bởi Viện Khoa

học công nghệ massachusetts (MIT), Viện nghiên cứu Hải dương học Scripps và Đại học Harvard với sự tài trợ của Quỹ Khoa học quốc gia Phần mềm này có thể được sử dụng mà không cần phải đăng ký hoặc trả tiền bản quyền cho các mục đích phi thương mại

- GAMIT là tập hợp các chương trình để xử lý dữ liệu trị đo pha sóng tải để ước lượng vị trí tương đối của các trạm quan sát và quỹ đạo vệ tinh, độ trễ thiên đỉnh của tầng đối lưu và các tham số định hướng của Trái Đất Phần mềm này được thiết kế để chạy trên hệ điều hành UNIX

- GLOBK bao gồm bộ lọc Kalman với mục đích chính để kết hợp các lời giải trắc địa khác nhau như GPS, VLBI và đo laser đến vệ tinh Phần mềm nhận dữ liệu

là số liệu đo, các “giả trị đo” là giá trị ước lượng và ma trận phương sai - hiệp phương sai tọa độ của các trạm mặt đất, các tham số định hướng Trái Đất, các tham

số quỹ đạo và tọa độ xác định được thông qua phân tích trị đo Các số liệu đầu vào thường được cố định một cách không chắc chắn (cố định mềm) với các tham số toàn cầu do đó ràng buộc có thể được áp dụng trong kết hợp các lời giải khác nhau

- Fonda: Đây là mô đun bình sai lưới trắc địa không gian (trong hệ tọa độ 3 chiều) để ước tính các tham số trắc địa từ số liệu đo đạc trắc địa vũ trụ hoặc mặt đất hoặc kết hợp cả hai loại số liệu nói trên Những phiên bản hiện thời đưa ra vị trí điểm của các điểm quan trắc trong thời điểm cụ thể, tốc độ dịch chuyển, tốc độ giãn, quay trên một lưới cụ thể và vị trí chi tiết của điểm Dữ liệu nhập vào mô đun này là

dữ liệu lưới tam giác, lưới tam giác cạnh, góc phương vị, chênh cao thủy chuẩn và giá trị đo ở dạng tọa độ của điểm, tốc độ dịch chuyển và ma trận hiệp phương sai từ kết quả xử lý dữ liệu trắc địa vệ tinh

b.3 Phần mềm Gipsy-Oasit

Gipsy-Oasit (GPS-inferred Positioning System and Orbit Analysis Simulation Software) do Phòng nghiên cứu phản lực của Cơ quan hàng không vũ trụ Mỹ phát triển Chương trình Gipsy (GPS-inferred Positioning System) được phát triển và công bố năm 1985 khi xử lý kết quả kiểm tra cạnh dài độ chính xác

cao Kết quả kiểm tra đạt độ chính xác 1 ppb (part per billion) khẳng định thuật toán

sử dụng trong phần mềm Gipsy rất mạnh và hiệu quả

Phần mềm bao gồm 400000 dòng mã được viết bởi rất nhiều kỹ sư, các nhà khoa học và sinh viên Phần mềm này được phát triển và hoàn thiện bởi các chuyên gia không chỉ tại phòng nghiên cứu phản lực và từ khắp nơi trên thế giới

Gipsy ban đầu là 2 phần mềm độc lập đó là: 1 Phần mềm xác định quỹ đạo, được phát triển nhiều năm để điều khiển các thiết bị bay và 2 Phần mềm trắc địa VLBI, mô hình hóa các hiện tượng địa động Trái Đất và độ trễ sóng radio Năm

1985, hai phần mềm này cộng với một phần mềm mới với bộ lọc dạng Kalman để ước tính tham số và phần mềm xử lý sơ bộ dành cho chỉnh sửa dữ liệu sử dụng giao diện đồ họa được tích hợp tạo nên phần mềm Gipsy

Tại cùng thời điểm này, một phần mềm với các mô đun chung với Gipsy được phát triển đặt tên là Oasit dùng để phân tích quỹ đạo Trái Đất Gipsy và Oasit sau đó được tích hợp với nhau để tạo nên phần mềm Gipsy-Oasit

* Các chức năng chính của phần mềm [95]:

- Phân tích dữ liệu từ cung cấp bởi các hệ thống vệ tinh như:

+ Hệ thống GPS (Mỹ)

+ Hệ thống Glonass (Nga)

+ Hệ thống đo khoảng cách laser đến vệ tinh

- Định vị với độ chính xác cỡ cm cho các vệ tinh GNSS dựa vào việc xác định tọa độ và thời gian:

+ Thiết lập nền tảng không gian bao gồm các hệ thống vệ tinh quỹ đạo thấp

và các hệ thống GNSS

+ Trắc địa vũ trụ

+ Các trạm mặt đất tĩnh hoặc động

+ Truyền thời gian

- Định vị điểm đơn với độ chính xác cao phục vụ cho các ứng dụng định vị

độ chính xác cao

- Xác định lời giải số nguyên đa trị đo các máy thu đơn lẻ sử dụng lịch vệ tinh và tệp số hiệu chỉnh đồng hồ của JPL

- Tài liệu kèm theo mô đun phần mềm hoặc trợ giúp qua mạng

- Đào tạo sử dụng phần mềm thông qua các lớp học hoặc qua mạng

- Có hàng trăm nghiên cứu và người sử dụng ở trên 20 quốc gia

- Được xây dựng dựa trên 25 năm kinh nghiệm nghiên cứu và phân tích dữ liệu GPS tại JPL

* Ứng dụng của phần mềm

- Định vị các điểm mặt đất phục vụ cho các nghiên cứu địa vật lý:

+ Nghiên cứu biến dạng Trái Đất, kiến tạo địa tầng

+ Xây dựng mạng lưới GNSS

+ Giám sát băng tan

+ Nghiên cứu khí hậu thông qua các trị đo GNSS như nghiên cứu về tầng đối lưu, tầng điện ly

+ Xây dựng khung quy chiếu và xác định tham số xoay của Trái Đất

- Cung cấp thuật toán định vị thông thường và định vị chính xác với GPS, GLONASS, Gelileo, QZSS, Beidou và SBAS

- Cung cấp các mô hình định vị khác nhau với GNSS cho cả định vị động xử

lý sau và định vị động tức thời: định vị đơn, DGPS/DGNSS, đo động, đo tĩnh, di chuyển cạnh động (Moving-Baseline), cố định, định vị động chính xác (PPP-kinematic), PPP-static và PPP-fixed

- Hỗ trợ, chấp nhận nhiều dữ liệu chuẩn và giao thức trong GNSS như: định dạng dữ liệu RINEX 2.10, 2.11, 2.12 (đối với các loại dữ liệu đo, lịch vệ tinh quảng

bá, …); định dạng dữ liệu RINEX 3.00, 3.01, 3.02 (tệp thông tin trị đo, lịch vệ tinh quảng bá), phiên bản tệp dữ liệu đồng hồ 3.02, RTCM 2.3, RTCM 3.1, RTCM 3.2, BINEX, NTRIP 1.0, NMEA 0183, SP3-c, ANTEX 1.4, IONEX 1.0, NGS PCV và ESM 2.0

- Có thể nhận dữ liệu của các loại máy thu như:

+ NovAtel: OEM4/V/6, OEM3, OEMStar, Superstar II

+ Hemisphere: Eclipse, Crescent, u-blox

+ LEA-4T/5T/6T

+ SkyTraq: S1315F …

- Cung cấp các phương thức liên kết ngoài khác nhau

- Cung cấp nhiều hàm thư viện và các chương trình giao diện ứng dụng

- Cung cấp các giao diện đồ họa trực quan cho người sử dụng

c.2 Phần mềm LAMBDA

Gói phần mềm LAMBDA 3.0 được xây dựng bởi Sandra Verhagen và Bofeng Li thuộc khoa Toán trắc địa và Định vị, Đại học Công nghệ Delft [79] Gói phần mềm này được xây dựng bằng ngôn ngữ lập trình Matlab Phương pháp LAMBDA được thực thi lần đầu tiên (phiên bản 1.0) với ngôn ngữ Fortran-77 bởi

De Jonge và Tiberius (1996) [51] Chương trình lần đầu tiên được dịch sang ngôn ngữ Matlab bởi Borre (1997) và tiếp tục nâng cấp bởi Joosten (2001) được biết đến

là phiên bản 2.1 Trong các phiên bản nói trên, quá trình tìm kiếm số nguyên đa trị được cố định với ellip có kích cỡ 2 Phiên bản 2.1 có một số cải tiến so với phiên bản trước đó là:

- Tính dễ đọc của phần mềm

- Phương pháp tiếp cận của phần mềm là chia nhỏ chương trình thành các chương trình con được quản lý thành các phần khác nhau ví dụ như phần làm giảm tương quan, phần tìm kiếm hoặc kết hợp cả hai phần trên

- Có khả năng tìm kiếm số nguyên đa trị với số lượng lớn hơn 2 rất thích hợp cho các mục đích tìm kiếm số nguyên đa trị

- Kích thước của ellip tìm kiếm được tính toán dựa trên phương pháp làm tròn tuần tự có điều kiện

Phiên bản 3.0 được nâng cấp với nhiều sự lựa chọn hơn như [79]:

- Thực hiện phương pháp tìm kiếm thay thế, dựa trên việc tìm kiếm một cách xen kẽ xung quanh ước lượng có điều kiện và làm hẹp ellip tìm kiếm Lý thuyết của phương pháp này được đề xuất bởi Teunissen (1993), De Jonge và Tiberius (1996) Chang và những người khác (2005) đã thực thi kỹ thuật này trong gói MLAMBDA

- Phương pháp ước lượng làm tròn có điều kiện và phương pháp ước lượng làm tròn được ứng dụng trong trường hợp người sử dụng không muốn ứng dụng phương pháp tìm kiếm số nguyên dựa trên nguyên lý số bình phương nhỏ nhất (ILS)

- Có khả năng cho kết quả tìm kiếm thành công với phương pháp làm tròn có điều kiện trong đó có xét đến quá trình làm giảm tương quan của các số nguyên đa trị Kỹ thuật thực thi này được biết đến như là quá trình làm tròn xuống khi ước lượng số nguyên đa trị sử dụng phương pháp ILS

- Phương pháp giải số nguyên đa trị từng phần được ứng dụng

- Phương pháp kiểm tra tỷ số phương sai (ratio) được ứng dụng để quyết định xem có thể chấp nhận số nguyên đa trị đã tìm kiếm được hay không

Gói phần mềm LAMBDA 3.0 được xây dựng thành nhiều chương trình con như: Chương trình phân tích ma trận, chương trình biến đổi ma trận Z để nâng cao hiệu quả của quá trình tìm kiếm số nguyên đa trị, chương trình con ước lượng số nguyên đa trị theo phương pháp làm tròn, chương trình ước lượng số nguyên đa trị theo phương pháp làm tròn có điều kiện, chương trình tìm kiếm số nguyên đa trị sử dụng phương pháp làm hẹp ellip tìm kiếm …

d Nhóm các phần mềm xử lý số liệu trực tuyến

Với sự ra đời của CORS và sự phát triển của internet đã hình thành một phương thức xử lý số liệu mới: xử lý số liệu trực tuyến Rất nhiều các quốc gia phát triển đã phát triển phương thức xử lý dữ liệu trực tuyến như Mỹ (OPUS-S, OPUS-

RS và OPUS-DB), Canada (NRCan) …

OPUS-S xử lý số liệu thời gian đo 2 - 48 giờ với một số đặc điểm như sau:

- Sử dụng lịch vệ tinh chính xác hoặc lịch vệ tinh chính xác ở dạng cung cấp nhanh

- Tổng số trị đo trong tệp dữ liệu được sử dụng lớn hơn 90%

- Hơn 50% số nguyên đa trị được tìm kiếm ở dạng fixed

- Hiệu chỉnh độ cao ăng ten và độ lệch tâm pha ăng ten máy thu

- Ở chế độ đo tĩnh, sai số về mặt bằng nhỏ hơn 3 cm

- Khi xử lý ở chế độ đo tĩnh nhanh không có thông tin cảnh bảo đối với người sử dụng trong trường hợp có sai sót về thông tin cũng như kết quả xử lý

- Quản lý chỉ số chất lượng trong trường hợp nghi ngờ

Hình 1.4 Giao diện khi nhập số liệu xử lý bằng OPUS

Để đạt được độ chính xác cao khi xử lý số liệu bằng các phần mềm xử lý trực tuyến nói chung, người sử dụng cần phải chú ý một số vấn đề như sau:

- Khai báo chính xác loại ăng ten máy thu được sử dụng

- Khai báo độ cao ăng ten máy thu

- Sử dụng các chương trình kiểm tra và chuẩn hóa dữ liệu RINEX (ví dụ như TEQC) trước khi xử lý số liệu nếu cần thiết

1.2 Các kết quả nghiên cứu ở Việt Nam

1.2.1 Các kết quả nghiên cứu về thuật toán xử lý số liệu GNSS

Bên cạnh các nghiên cứu ứng dụng GNSS, có rất nhiều các nghiên cứu về thuật toán xử lý số liệu GNSS đã được công bố ở Việt Nam trong thời gian vừa qua Trước tiên, có thể kể đến các sách giáo khoa về GNSS đã được xuất bản bởi các tác giả PGS.TS Đặng Nam Chinh, PGS.TS Đỗ Ngọc Đường [4], PGS.TSKH Hà Minh Hòa, PGS.TS Nguyễn Ngọc Lâu [12], TS Trần Hồng Quang [27] … Các tài liệu nêu trên đã giới thiệu các bài toán cơ bản trong xử lý số liệu định vị vệ tinh như bài toán định vị tuyệt đối, bài toán định vị tương đối tĩnh nhưng chưa giới thiệu sâu về bài toán định vị tuyệt đối chính xác cũng như bài toán định vị động (PPK, RTK)

Sử dụng trị đo pha sóng tải giúp nâng cao độ chính xác giải các bài toán định

vị nhưng lại phát sinh bài toán giải (xác định) số nguyên đa trị (số nguyên lần bước sóng) Giải số nguyên đa trị là một bài toán rất phức tạp trong xử lý số liệu GNSS Tác giả Trần Quốc Bình và Lim Samsung trong [3] đã giới thiệu phương pháp làm giảm tương quan giữa các số nguyên đa trị nhằm nâng cao hiệu quả của việc tìm kiếm số nguyên đa trị Trong báo cáo tổng kết khoa học và công nghệ đề tài cấp Bộ Tài nguyên và Môi trường do tiến sĩ Nguyễn Thị Thanh Hương chủ trì [15] có giới thiệu các phương pháp giải số nguyên đa trị tuy nhiên chưa trình bày toàn bộ quá trình giải số nguyên đa trị một cách đầy đủ

Khi sử dụng trị đo pha sóng tải, nhất thiết phải thực hiện quá trình phát hiện

và hiệu chỉnh hiện tượng trượt chu kỳ PGS.TSKH Hà Minh Hòa, PGS.TS Nguyễn Ngọc Lâu, TS Nguyễn Thị Thanh Hương trong [12], [16], [19] đã giới thiệu phương pháp phát hiện và hiệu chỉnh hiện tượng trượt chu kỳ Dựa trên các thuật toán đã lựa

chọn, các tác giả đã xây dựng chương trình tính có khả năng phát hiện và hiệu chỉnh hiện tượng trượt chu kỳ với độ chính xác 0,5 chu kỳ

Để giải các bài toán định vị GNSS nói riêng và giải các bài toán trong xử lý

số liệu trắc địa nói chung thì vấn đề xác định trọng số là vấn đề không thể thiếu trong quy trình tính toán PGS.TS Nguyễn Ngọc Lâu đã giới thiệu các công thức xác định trọng số dựa vào góc cao của vệ tinh [17] Tuy nhiên, nhược điểm của các hàm được giới thiệu là chỉ sử dụng tham số độ chính xác do nhà sản xuất cung cấp

mà chưa xác định trọng số theo ảnh hưởng của các nguồn sai số đối với trị đo Khi giải các bài toán động, xác định trọng số dựa vào ước lượng phương sai của các nguồn sai số đối với trị đo là một trong các biện pháp nâng cao độ chính xác giải bài toán [66], [67], [96]

Khi giải bài toán định vị GNSS, đồng bộ hóa thời gian và tính hiệu chỉnh độ cao ăng ten máy thu là hai trong số những công việc bắt buộc phải thực hiện trong

đó vấn đề đồng bộ hóa thời gian quyết định đến chất lượng giải bài toán PGS.TSKH Hà Minh Hòa đã chứng minh công thức hiệu chỉnh độ cao ăng ten máy thu vào trị đo cho tệp trị đo đơn [14] Tuy nhiên, trong [14] chưa bàn đến vấn đề hiệu chỉnh độ lệch và biến thiên tâm pha ăng ten máy thu Có rất ít công trình bàn đến đồng bộ hóa thời gian bao gồm tính số hiệu chỉnh thay đổi khoảng cách theo thời gian cho các trị đo GNSS

Như vậy có thể thấy rằng, bên cạnh những kết quả đạt được về nghiên cứu thuật toán xử lý số liệu GNSS tại Việt Nam, vẫn còn có những tồn tại như:

- Chưa có các công bố về thuật toán giải bài toán định vị tương đối động (cả định vị tương đối động xử lý sau lẫn xử lý định vị tương đối động tức thời)

- Chưa có các công bố về thuật toán giải bài toán định vị tuyệt đối chính xác PPP

- Có rất ít các công bố về ứng dụng phép lọc Kalman trong xử lý số liệu GNSS, đặc biệt là sử dụng phép lọc Kalman để giải bài toán định vị GNSS Theo các công trình công bố ở nước ngoài, khi giải các bài toán định vị tức thời (SPP, PPP, RTK) đều sử dụng phép lọc Kalman để giải bài toán do đó cần phải nghiên cứu ứng dụng phép lọc Kalman trong giải các bài toán định vị nêu trên

- Chưa có công bố về ước lượng (tính toán) trọng số của trị đo theo ảnh hưởng của các nguồn sai số đối với trị đo tương ứng

- Có rất ít các công bố về thuật toán xử lý số liệu của các trạm CORS …

Để có thể chủ động hơn trong việc xây dựng chương trình xử lý số liệu định

vị vệ tinh nói riêng và ứng dụng định vị vệ tinh ở Việt Nam nói chung nhất thiết phải có các nghiên cứu về thuật toán một cách tường minh trong cho từng bước trong quy trình giải các bài toán định vị

1.2.2 Các kết quả nghiên cứu xây dựng phần mềm

Cho đến thời điểm hiện tại, đã có các công bố về xây dựng phần mềm xử lý

số liệu GNSS ở Việt Nam cụ thể như sau:

a Các kết quả xây dựng phần mềm của trung tâm NAVIS (Đại học Bách khoa Hà Nội)

Theo [84], NAVISTAR là bộ giải pháp định vị GPS/GNSS ứng dụng trong định vị độ chính xác cao (cỡ cm) và nâng cao độ tin cậy, và độ an toàn/an ninh trong định vị sử dụng vệ tinh Bộ giải pháp do Trung tâm Quốc tế Nghiên cứu và Phát triển Công nghệ định vị sử dụng vệ tinh (NAVIS) - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội thiết kế, phát triển, và chế tạo

Navistar cung cấp phần mềm Navisap bao gồm 3 gói là NAVISAP-Server, NAVISAP-Client-BS và NAVISAP-Client-Android

a.1 NAVISAP-Server [84]

- Quản lý các trạm tham chiếu trong mạng lưới: đảm bảo và duy trì cập nhật

cơ sở dữ liệu về trạm tham chiếu, cung cấp cơ chế mở theo các chuẩn phổ biến trong định vị chính xác để các trạm tham chiếu khác (kể cả trạm toàn cầu thuộc mạng lưới quốc tế IGS) có thể tham gia vào mạng lưới để cung cấp dịch vụ;

- Quản lý người dùng: cung cấp cơ chế để người sử dụng tham gia vào mạng lưới, và sử dụng dịch vụ mạng lưới cung cấp;

- Cung cấp luồng dữ liệu RTCM thời gian thực phục vụ định vị động thời gian thực: để thực hiện chức năng này, phần mềm cần thực hiện các tính năng được định nghĩa theo chuẩn giao thức NTRIP Cụ thể, phần mềm tích hợp phân hệ

NTRIP-Caster có vai trò cung cấp thông tin và cơ chế kết nối vào luồng dữ liệu cải chính RTCM phục vụ định vị động thời gian thực RTK, cho độ chính xác cm tức thời tại phía bộ thu;

- Cung cấp dịch vụ xử lý hậu kỳ (post-processing): cung cấp cơ chế để người

sử dụng upload dữ liệu RINEX thu tại vị trí cần xác định toạ độ chính xác Sau đó, phần mềm NAVISAP-Server dựa vào dữ liệu thu cùng thời điểm tại các trạm tham chiếu trong mạng lưới để tính toán toạ độ chính xác ở chế độ xử lý hậu kỳ, và gửi kết quả tính toán qua email tới người dùng;

- Cung cấp dịch vụ tải tệp thông tin ở định dạng RINEX tại các trạm tham chiếu trong mạng lưới: người dùng cũng có thể sử dụng tính năng này để tải dữ liệu RINEX tại các trạm trong mạng lưới (theo ngày) để sử dụng và tự tính toán trong giải pháp của mình

a.2 NAVISAP-Client-BS

- Quản lý kết nối đến máy chủ của mạng lưới tham chiếu (NAVINET): trạm

sẽ kết nối đến máy chủ của mạng lưới (ví dụ: NAVINET) để truyền dữ liệu, và thông tin trạng thái;

- Cung cấp luồng dữ liệu RTCM phục vụ định vị thời gian thực: phần mềm

sẽ sinh dòng dữ liệu theo định dạng RTCM phù hợp với định vị RTK và chuyển luồng này về máy chủ theo chuẩn giao thức NTRIP;

- Định kỳ cung cấp file RINEX về máy chủ để phục vụ nhu cầu định vị hậu kỳ: phần mềm sẽ thu nhận dữ liệu được đo bởi trạm, chuyển về định dạng chuẩn RINEX (thông tin trị đo và lịch vệ tinh quảng bá) rồi chuyển về máy chủ dữ liệu mạng lưới qua giao thức FTP;

- Cung cấp thông tin về an ninh định vị: tình trạng của vệ tinh, tín hiệu, phát hiện phá sóng, và giả mạo tín hiệu

a.3 NAVISAP-Client-Android

- Quản lý và cấu hình kết nối đến máy chủ của mạng lưới tham chiếu (NAVINET): thiết lập kết nối đến dịch vụ của mạng lưới (ví dụ: luồng RTCM )